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Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 3: Motorsteuerung Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild 3.1_1
Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 3: Motorsteuerung Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Bild 3.1_2
Grundlagen des Ottomotors / Aufgaben der Motorsteuerung
Grundaufgabe der Motorsteuerung:
Bedarfsgerechtes Einstellen von Luft, Kraftstoff und Zündung
zur Optimierung der Eigenschaften
Leistung/Drehmoment, Kraftstoffverbrauch und Emissionen.
Füllung Einspritzung Zündung
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Bild 3.1_3
Motorsteuerungssysteme/Gesamtsystemaufbau
Sensorik Motorsteuergerät Aktorik
Verkabelung / Kontaktierung
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Bild 3.1_4
Systemkomponenten zur Füllungssteuerung
Sensorik AktorikMotorsteuergerät
DME
Luftmassen- / Luftmengen -Messer
Saugrohrdruck-sensor
Umgebungsdrucksensor
Nockenwellen-positionssensoren
Positionssensor Sauganlagenumschaltung
Drosselklappen-winkelsensor
Valvetronicwinkelsensor
Lufttemperatur-sensor
Drosselklappen-steller
Nockenwellen-Phasensteller
Sauganlagen-Umschalter
Valvetronic-Stelleinheit
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Systemkomponenten zur Einspritzsteuerung
Sensorik AktorikMotorsteuergerät
DME
Kraftstoffdrucksensor
Lambdasonden
Einspritzventile
DruckreglerKraftstoffrail
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Systemkomponenten zur Zündungssteuerung
Sensorik AktorikMotorsteuergerät
DME
Klopfsensor Zündspule
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Systemüberblick
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Aufbau Motorsteuergerät
Micro-controller
Speicher
Überwachung
Signalauf-bereitung
Diagnose
Endstufen
Diagnose
Kommunnika-tionsschnitt-
stellen
Eingänge Signalver-arbeitung
AusgängeAktorik
Zündspulen
Einspritzventile
Drosselklappe
Nockenwellensteuerung
Abgasrückführung
Saugrohr-Umschaltung
Lüfter
Kraftstoffpumpe
Sekundärluft
Abgasklappe
Wastegate
Tankentlüftung
Spannungs-versorgung
Sensorik
Fahrpedal
Drosselklappenwinkel
Kurbelwellenposition
Nockenwellenposition
Luftmasse
Ansaugtemperatur
Ladedruck
Ladelufttemperatur
Umgebungsdruck
Kühlmitteltemperatur
Lambda
Abgastemperatur
Kupplungsposition
Kraftstoffdruck
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Signalaufbereitung
Signaltypen:
Umwandlung in digitale Rechteckform und
StörsignalunterdrückungInduktiver Drehzahlgeber
Variable Signalamplitude
Pulsförmige Eingangssignale
Umwandlung in digitale Signale in ADC (Analog-
Digital-Converter)
Luftmassensignal, Spannung, Temperatursignale
Beliebige Spannungswerte in einem bestimmten
Bereich
Analoge Eingangssignale
Direkte Verwendung durch Micro-Controller
Schalter,
Drehzahlsignale von Hall-Sensoren
Zwei Zustände „High“ / „Low“
Digitale Eingangssignale
AufbereitungBeispielEigenschaft
Weiterverarbeitung:
• Spannungsbegrenzung
• Filterung
• Verstärkung
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Signalverarbeitung
Bauteile / Komponenten zur Signalverarbeitung in der Motorsteuerung:
Separates BauteilDauerspeicher zur Ablage
von AdaptionswertenEEPROM / E²PROM
Integriert in Microcontroller undals separates Bauteil
Inhalt geht bei Trennung von der
Versorgungsspannung verloren (flüchtiger
Speicher)
RAM
(Random Access Memory)
Arbeitsspeicher
(Ablage für veränderliche Daten)
Programmspeicher
(Ablage für Funktionenund nicht
veränderliche Daten)
Zum Teil zusammen mit Controller auf
einem Chip integriertElektrisch löschbarFlash-EPROM
Separates BauteilLösch- und
programmierbar (Löschen durch UV-Licht)
EPROM
(Erasable Programmable
ROM)
Integriert in Microcontroller oder als
separates Bauteil
Speicher wird bei der Herstellung beschrieben
ROM (Read Only Memory)
AusführungEigenschaftTyp
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Funktionsarchitektur Software
Luft
Kraftstoff
Zündung
Auslass-System
Verbrennung
Antriebs-Koordination
Betriebsarten &
Momenten-koordination
Motor
Kühlung & Schmierung
Fehler-speicher
Überwachungs-konzept
Kommuni-kation
ECU Zustand
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Drehmomentbasierte Grundstruktur
Luft
Kraftstoff
Zündung
Antriebs-Koordination
Betriebsarten&
Momenten-koordination
Motor
Fahrerwunsch entspricht Drehmomentenanforderung
• Entkopplung des Fahrpedalwertes von Füllung, Einspritzung und Zündung
• Einrechnung von externen Anforderungen (Getriebe, Regelsysteme)
• Umsetzung verschiedener Betriebsarten zur Realisierung des Drehmomentes
Die Momentenstruktur – das Rückgrat heutiger Motorsteuerungen
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Drehmomentbasierte Grundstruktur
Drehmomentklassen im Antrieb
RadmomentGetriebe-ausgangs-moment
Hinterachs-übersetzung
Kupplungs-moment
Getriebe-übersetzungKupplungs-/
Wandler-übersetzung
Kurbelwellen-moment
Neben-aggregate
InneresMoment
LadungswechselReibung
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Luft
KraftstoffAntriebs-
Koordination
Betriebsarten&
Momenten-koordination
Motor
Fahrerwunsch
Leerlaufregelung
Getriebeeingriffe
Fahrdyn.-Regelsysteme
Fahrgeschwindigkeitsregler
Katheizfunktion
1. Funktionsblock: Koordination und Priorisierung der Momentenanforderungen
Koordination und Priorisierung
Zündung
Abgestimmte Momentenanforderung
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Luft
KraftstoffAntriebs-
Koordination
Betriebs- arten &
Momenten-koordination
Motor
Abgestimmte Momentenanforderung
2. Funktionsblock: Filterung und Korrektur der Momentenanforderung
Filterungund
Korrektur
Zündung
Korrigierte Momentenanforderung
Lastschlagdämpfung (pos./neg.)
Antiruckel - Funktion
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Lastschlagdämpfung / Anti-Ruckelfunktion
Ziel:Dynamische und komfortable Umsetzung des Fahrerwunsches
Fahrerwunsch
Antriebsstrang-modell
Korrigierte Momentenanforderung
Antiruckel - FunktionLastschlagdämpfung
Fahrerwunsch
Gefiltertes Sollmoment
Gemessene Drehzahl
„Vorsteuerung“ „Regelung“
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Luft
KraftstoffAntriebs-
Koordination
Betriebsarten&
Momenten-koordination
Motor
Korrigierte Momentenanforderung
3. Funktionsblock: Aufteilung auf schnelle und langsame Umsetzungspfade
Aufteilung auf Umsetzungspfade
Zündung
Momentenanforderunglangsamer Pfad
ZielmomentenreserveMomentenanforderungschneller Pfad
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Nutzung des schnellen und langsamen Pfades
Luft
Kraftstoff
Korrigierte Momentenanforderung
Momentenreserve = Überhöhung des Momentes über den Luftpfad
Aufteilung auf Umsetzungspfade
Zündung
langsamer Pfad
Zielmomentenreserve schneller Pfad
Bsp.:
Anforderung:Korrigierte Momentenanforderung = 100 NmZielmomentenreserve = 10 Nm
Aufteilung auf Pfade:Soll-Moment Luftpfad = 110 NmSoll-Moment Zündung/Kraftstoff = 100 Nm
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Luft
Kraftstoff
Zündung
5-30msEinspritzventile
Zündspule/ -kerze
> 100 msDrosselklappe
Nockenwellensteller Valvetronic
ZeitkonstanteAktorik
Nutzung des schnellen und langsamen Pfades
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Beispiele für die Nutzung des schnellen und langsamen Pfades:
• Leerlaufregelung:
• Nutzung der schnellen Zündwinkelverstellung zum Ausgleich von Drehzahlabweichungen
• Aufheizen des Katalysators:
• Einstellen eines späten Zündzeitpunkts zur Erhöhung der Abgastemperatur ohne Einflußauf das abgegebene Gesamtmoment.
• Fahrverhaltensfunktionen:
• Schnelle Reaktion auf Antriebsstrangschwingungen durch Zündungseingriffe
• Fahrdynamikregelsysteme:
• Flexible Momentenreduzierung bei Eingriffen der Regelsysteme zum schnellen Wiederaufregeln des Motormomentes.
• Nebenaggregate:
• Vorbereitung des Motors auf Einschaltvorgänge von Nebenaggregaten (z.B. Klimakompressor)
Nutzung des schnellen und langsamen Pfades
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Bild 3.1_21
Luft
KraftstoffAntriebs-
Koordination
Betriebs- arten &
Momenten-koordination
Motor
Füllung
4. Funktionsblock: Modellierung des Motormomentes
Modellierung Motormoment
Zündung
Theoretisches optimalesMoment
TatsächlichesMoment
Zündzeitpunkt
Lambda
Drehzahl
Anzahl befeuerter Zylinder
Drehmomentbasierte Grundstruktur
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Bild 3.1_22
Funktionsarchitektur
Luft
Kraftstoff
Zündung
Auslass-System
Verbrennung
Antriebs-Koordination
Betriebsarten &
Momenten-koordination
Motor
Kühlung & Schmierung
Fehler-speicher
Überwachungs-konzept
Kommuni-kation
ECU Zustand
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Bild 3.1_23
Erzeugen der Sollwerte
für die Füllungs-
aktorik
Drosselklappensollwinkel
Nockenwellen-phasensollwert
Variable Sauganlagen-sollposition
Valvetronicsollposition
Soll-MomentLuftpfad
Drosselklappenistwinkel
Nockenwellen-phasenistwert
Variable Sauganlagen-Istposition
Valvetronicistposition
Berechnungder aktuellen Luftmasse Aktuelle
Füllung
Füllungssteuerung Füllungserfassung
Der Luftpfad
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Vorteile der modellbasierten Füllungserfassung:
• Weitgehende Entkopplung der Füllungsbestimmung von dynamischen Eigenschaften der Luftmassenmessungssensorik
• Bestimmung der Modellparameter an stationären Meßpunkten
• Berücksichtigung dynamischer Effekte durch Saugrohrvolumen
• Anpassung an verschiedene Motoren einfacher durch Verwendung physikalischer Modelle
Bedeutung der Füllungserfassung:
• Qualität des Füllungswertes ist entscheidend für wesentliche Funktionen der Motorsteuerung.
• Füllungswert ist zentrale Lastinformation der Motorsteuerung.
• Eine Vielzahl von Kenngrößen in der Motorsteuerung wird mit dem Füllungswert adressiert.
• Ungenauigkeiten führen direkt zu Abweichungen der Kraftstoffmasse, des Zündzeitpunktes und des modellierten Drehmomentes.
Füllungserfassung
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Bild 3.1_25
Luft
Kraftstoff
Zündung
Auslass-System
Verbrennung
Antriebs-Koordination
Betriebsarten &
Momenten-koordination
Motor
Kühlung & Schmierung
Fehler-speicher
Überwachungs-konzept
Kommuni-kation
ECU Zustand
Funktionsarchitektur
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Bild 3.1_26
Der Kraftstoffpfad
Berechnung der Soll-
Kraftstoff-masse
Soll-Lambda
Soll-Füllung
Einrechnung der Korrekturgrößen Korrigierte
Kraftstoffsollmasse und Einspritzzeitpunkte
Tankentlüftung
Wandfilm-kompensation
Lambdaregelung
Basis Kraftstoff-sollmasse
KraftstoffversorgungNiederdruck
KraftstoffversorgungHochdruck (DI)
Ansteuerung eines Taktventils zur Regeneration des Aktivkohlefilters
Regelung des Luft-/Kraftstoff - Gemischs
Berechnung von Instationärkompensationen
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Bild 3.1_27
Lambdasonde
Quelle: Bosch
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Luft
Kraftstoff
Zündung
Auslass-System
Verbrennung
Antriebs-Koordination
Betriebsarten &
Momenten-koordination
Motor
Kühlung & Schmierung
Fehler-speicher
Überwachungs-konzept
Kommuni-kation
ECU Zustand
Funktionsarchitektur
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Bild 3.1_29
Der Zündungspfad
Grundkennfelder Drehzahl
Last
Betriebsarten
Primäre Einflußgrößen auf den Zündzeitpunkt:
• Drehzahl
• Da das Durchbrennen des Gemischs nahezu unabhängig von der Drehzahl ist, muß tendenziell bei höheren Drehzahlen zu einem früheren Zeitpunkt die Zündung ausgelöst werden.
• Last
• Bei steigender Last (=Zylinderfüllung) erfolgt die Verbrennung schneller, es kann später gezündet werden.
• Einfluß der Betriebsarten:
• Saugrohreinspritzung:
• Unterschiedliche Betriebsarten etwa bei vollvariablen Ventiltrieben erfordern durch den Strömungseinfluß deutlich unterschiedliche Zündzeitpunkte.
• Direkteinspritzung:
• Je nach Betriebsart der direkteinspritzenden Systeme (homogen / geschichtet) und Art des Brennverfahrens (wandgeführt/luftgeführt/strahlgeführt) werden unterschiedliche Zündzeitpunkte benötigt, um das magere Gemisch zu entflammen.
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Bild 3.1_30
Korrekturen Temperatur
Grundkennfelder Drehzahl
Last
Lambda
Nockenwellenpos.
Betriebsarten
Korrekturgrößen
• Temperatur
• Bei kaltem Motor ist für eine sichere Entflammung ein früherer Zündzeitpunkt erforderlich, hohe Temperaturen erlauben hingegen keine sehr frühen Zündzeitpunkte (Klopfgefahr).
• Lambda
• Ein mageres Gemisch erfordert einen früheren Zündzeitpunkt.
• Nockenwellenposition
• Wird durch die Nockenwellenposition der Restgasanteil erhöht, ist ein früherer Zündzeitpunkt erforderlich.
Der Zündungspfad
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Bild 3.1_31
Korrekturen Temperatur
Grundkennfelder Drehzahl
Last
Lambda
Nockenwellenpos.
Koordination und Begrenzung
Zündwinkeleingriff Klopfregelung
Soll-Zündzeitpunkt Steuerung
Zündspulen (Einschalten
Zündendstufen)
Betriebsarten
Zündwinkeleingriff Momentenstruktur
Eingriffe Momentenstruktur und Klopfregelung
• Momentenreduzierende und -erhöhende Eingriffe bei Leerlaufregelung, Getriebeeingriffen,etc.
• Zylinderselektive Eingriffe der Klopfregelung
Koordination und Begrenzung
• Priorisierung und Koordination der Zündzeitpunkt – Korrekturen
• Begrenzung auf minimalen und maximalen Zündzeitpunkt
• Aufteilen auf Einzelzylinder
Der Zündungspfad
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Bild 3.1_32
Luft
Kraftstoff
Zündung
Auslass-System
Verbrennung
Antriebs-Koordination
Betriebsarten &
Momenten-koordination
Motor
Kühlung & Schmierung
Fehler-speicher
Überwachungs-konzept
Kommuni-kation
ECU Zustand
Funktionsarchitektur
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Bild 3.1_33
Verbrennungsfunktionen
Verbrennungsdruckverlauf
1. Idealer Verlauf bei korrektem Zündzeitpunkt
2. Klopfende Verbrennung bei zu früher Zündung
3. Verschleppte Verbrennung bei zu spätem Zündzeitpunkt
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Bild 3.1_34
Klopfregelung
„Klopfen“:
• Unkontrollierte, nicht gezielt ausgelöste Verbrennung mit hohen Druckamplituden und -frequenzen
Folgen:
• Niedriger Drehzahlbereich:
• Unerwünschte Akustik („Klingeln“)
• Hoher Drehzahlbereich:
• Motorschäden durch hohen Energieeintrag im Brennraum
Ursache für klopfende Verbrennung:
• Selbstentflammung des noch nicht durch die Flammenfront erfaßten Gemischs nach der Zündung
Einflußgrößen:
• Klopffestigkeit des Kraftstoffs
• Lambda
• Temperatur
• Brennraumgeometrie
• Verdichtungsverhältnis
• Zündzeitpunkt
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Bild 3.1_35
Zündzeitpunkt
Optimaler Zündzeitpunkt
Moment, Wirkungsgrad
Klopfgrenze
Zielbereich für Zündzeitpunktbei verschiedenen
Kraftstoffenund Temperaturen
Regelung des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit des
aktuellen Verbrennungszustandes
Klopfregelung
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Bild 3.1_36
Prinzip der Aussetzerkennung (Beispiel Sechszylindermotor)
Kurbelwellen - Geberrad
120°Segment
ZOT (n)
ZOT (n+1)
Berechnung der Laufunruhe
Messung der Segment-Zeiten
Bewertung der Laufunruhe
Laufunruhe
0
-1000
2000
Zylinder1 2 3 4 5
0
1000
-2000
Schwellwert für Verbrennungsaussetzer
Aussetzererkennung
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Bild 3.1_37
Aussetzererkennung
Hintergrund:• Die Erkennung von Verbrennungsaussetzern ist ein Teil der gesetzlich geforderten Funktionen,
die emissionserhöhende Fehlfunktionen anzeigen sollen.Durch einen Verbrennungsaussetzer erhöht sich die Emission erheblich, da das unverbrannte Gemisch ausgestoßen wird.Als Folge kann eine Nachverbrennung des Gemisches im heißen Katalysator das Trägermaterial im Katalysator zerstören.
Funktionsansatz:• Da kein direkter Ansatz zur Messung der Verbrennung im Fahrzeug vorliegt, erfolgt die
Erkennung indirekt über die Drehungleichförmigkeit des Motors. Ein Verbrennungsaussetzer macht sich durch das ausbleibende Moment in dem betroffenen Arbeitsspiel in einer reduzierten Winkelgeschwindigkeit bemerkbar.Diese Verzögerung wird gemessen und bewertet.
Fehlerreaktion:• Es erfolgt zum einen ein Eintrag im Fehlerspeicher, zum andern wird bei unzulässig hohen
Raten der Verbrennungsaussetzer die Einspritzung auf dem betroffenen Zylinder deaktiviert, um die Zerstörung des Katalysators zu verhindern.
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Bild 3.1_38
Beschleunigung
Beschleunigt der Motor, so reduzieren sich die Segmentzeiten, ohne daßeine Laufunruhe vorliegt.
Um eine Fehldiagnose zu vermeiden, wird diese Abweichung korrigiert.
Prinzip:
Segmentzeiten
Überlagerung aus Beschleunigung und Laufunruhe
Mittlere Beschleunigung während der letzten Motorumdrehung (Trend)
„echte“Laufunruhe
Aussetzererkennung
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Bild 3.1_39
Luft
Kraftstoff
Zündung
Verbrennung
Antriebs-Koordination
Betriebsarten &
Momenten-koordination
Motor
Kühlung & Schmierung
Fehler-speicher
Überwachungs-konzept
Kommuni-kation
ECU Zustand
Auslass-System
Funktionsarchitektur
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Bild 3.1_40
Kühlung / Schmierung
Kernfunktionen:
• Wärmemanagement
• Heutige Motoren verfügen über eine weitreichende Aktorik für ein variables
Wärmemanagement. Dadurch können einige Zielkonflikte aufgelöst werden:
• Aufheizung des Motors
• Erwärmung des Innenraums
• Leistungsaufnahme der Wasserpumpe
• emissions- / verbrauchsoptimaler Betrieb
• Klopfschutz
• Akustik (Lüftergeräusch)
Wärme-management
Anforderungen Motor / Fahrzeug
Sollwerte Elektrische Wasserpumpe
Thermostat
Lüfter
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Bild 3.1_41
Systemstruktur MED- Motronic
Quelle: Bosch
Abgas-temp.-sensor*
AktivkohlebehälterLuftmassenmessermit Temperaturfühler
Nockenwellen-versteller*
Zündspule/Zündkerze
Ladedruck/Temperatur-sensor
Fahrpedalmodul
Temp.-sensor
Tank-einbau-einheit
Lambda-Sonde
Drossel-vorrichtung(EGAS)
EGAS = Elektronische Motorfüllungssteuerung
Nockenwellenversteller:Einlass- und/oder Auslass-Verstellung
Qu
elle
: G
S/M
KT
67
89
d
Umgebungs-drucksensor
Tankentlüftungs-ventil
Rück-schlag-ventil
Turbo-unterdruck-speicher
Drehzahl-geber
Einspritz-ventil
Abgasturbo-lader
Magnet-ventil
Phasen-geber
WasteGate
WasteGate Steller
Lambda-SondeVorkat.
Hauptkat.
Druck-sensor
Klopf-sensor
Kraftstoff-verteiler
Hoch-druck-pumpe Magnetventil
Umluft-ventil
* optionalBDE-spezifischeBosch-Komponenten
ElektronischesSteuergerät
Diagnoselampe
DiagnoseSchnittstelle
Wegfahrsperre
CAN
LBK1
1 Ladungsbewegungsklappe (2 Punkt/kontinuierlich)
Ladeluftkühler
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Bild 3.1_42
Schicht-Betrieb
Homogen-Betrieb
Last
DrehzahlSchicht-Betrieb wird nur oberhalb 50°C Kühlmitteltemperatur und zwischen 250 und 520°C Abgastemperatur zugelassen. Der NOx- Speicher kann nach dem heutigen Stand nur in diesem Bereich NOx speichern.
Das FSI- Einspritzsystem
Quelle: VW
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Bild 3.1_43
Schichtbetrieb Homogenbetrieb
Drosselklappenwinkel
Lambdawert 3
1,61
Drehmoment
Es wird erst ca. 70° vOT Eingespritzt.
Umschaltvorgang Schichtbetrieb/ Homogenbetrieb
Quelle: VW
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Bild 3.1_44
LuftmuldeKraftstoffmulde
Quelle: VW
Kolbenform eines direkteinspritzenden Motors
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Bild 3.1_45
Es wird in den Ansaugtakt eingespritzt
Quelle: VW
Homogen Betrieb
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Bild 3.1_46
Schicht- Betrieb
Tumble-Klappe
Quelle: VW
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Bild 3.1_47
MED- Motronic (5 min)
Quelle: Bosch